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化工节能技术之余热回收利用

  来源:油化材讯 | 发布时间:2020-11-24

  北斗智库环保管家网讯:目前,国内许多行业普遍存在能源利用率较低,大量余热被直接排放的现象,这样不仅造成了能源的极大浪费,更给地球环境带来了巨大的负担。尤其化工厂、冶金厂进行焦化、烧结、炼铁、炼钢过程中产生的余热以及各种加热设备排放的烟气中都含有大量的余热,如果这部分资源能被合理利用,则能变废为宝,造福人类。
 
  以化工行业为例,我国化工行业每年能源消费量约占全国消费总量的10%~12%。在化工产品成本中,能源通常占到20%~30%,高耗能产品甚至达到60%~70%。尽管已采用节能技术使我国化工行业主要耗能产品的单位能耗从2000年到2009年均有不同程度的降低,但单位产品能耗与国际先进水平相比仍有一定差距。我国化工行业能源利用效率比发达国家低10%~15%左右,一些产品单位能耗比发达国家高10%~20%。由此看出,我国化工行业还有不小的化工节能空间。
 
  余热是在一定经济技术条件下,在能源利用设备中没有被利用的能源,也就是多余、废弃的能源。余热资源属于二次能源,是一次能源或可燃物料转换后的产物,或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。按照温度品位,工业余热一般分为:600 ℃以上的高温余热,300~600 ℃的中温余热和 300 ℃以下的低温余热;按照来源,工业余热又可被分为: 烟气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、化学反应热、高温产品和炉渣余热,以及可燃废气、废料余热等。很多化工企业存在大量50-150℃的废热水,造成大量能量浪费的同时,环境也受到污染。同时,企业内部加热系统存在大量的0.35Mpa左右的蒸汽需求,或者60-120℃的需热部位。
 
  为了提高能源利用率,降低工业企业能耗,需要对余热进行回收利用。根据余热资源在利用过程中的能量传递和转换特点,可分为热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术、吸收式热泵技术、压缩式热泵技术、移动供热技术、有机朗肯热分离器技术等。
 
  热交换技术
 
  是余热利用最直接、效率较高的方法,适用于各种温度水平的余热回收,但只能对余热进行热利用,用途受到限制。相关设备可以用各种传统的换热器、热管换热设备、余热锅炉等。
 
  热管是一种高效的导热元件,它是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的元件,属于将储热和换热设备合二为一的相变储能换热设备。热管导热性优良,传热系数比传统金属换热器高近一个量级,一般用于温度在50~400 ℃的工业余热,需要根据不同温度选定相应管材和工质,其中碳钢-水-重力热管以其简单的结构、低廉的价格得到了广泛的应用。
 
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  图一 热管工作原理示意图
 
  热功转化技术
 
  可以分为传统的以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点工质的有机工质发电技术。目前主要的工业应用以水为工质,以余热锅炉+蒸汽透平或者膨胀机所组成的低温汽轮机发电系统。虽然热功转换技术难度较大,系统复杂,但是可将余热回收转换为电功,便于输送和使用,适用于利用大于350 ℃中高温余热,属于中高温余热加热技术。
 
  图二 蒸汽透平压缩做功
 
  低温工业余热发电技术
 
  基于有机介质的低温工业余热发电技术也属于热功转换技术,如有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)、Kalina循环。对于工业中大量废弃的200 ℃,甚至300 ℃以下的低温余热,目前无法利用蒸汽/热水闪蒸系统进行有效回收,更适宜采用ORC技术。例如南京天加热能,北京康吉森,上海齐耀动力,中船重工712所,江西华电,浙江开山,天津博帆科技,美国Vedicorp,上海联优,北京施托克、华航盛世等,即采用了ORC技术,其循环包括泵、蒸发器、膨胀器和冷凝器四个部分,经冷却介质冷却后的工质通过泵输送到蒸发器,与热源流体经热交换后成为饱和蒸汽或过热蒸汽,该蒸汽进入膨胀机经膨胀推动汽轮机做功后被排出,随后进入冷凝器与冷却介质进行热交换后成为液体工质,最后再由泵输入系统,如此循环,实现热功转化。
 
  部分技术方开发的新型有机混合工质,高温近共沸二元混合工质,具有良好的高温特性,机组循环性能最稳定,发电效率更高。
 
 
  图三 有机朗肯循环工艺流程
 
  制冷制热技术
 
  有可利用250 ℃以下余热的吸收式制冷技术、可利用30~60℃余热的热泵技术。热泵技术的详细介绍可阅读之前的推送化工节能技术之热泵精馏。与传统压缩式制冷机组相比,吸收式或吸附式制冷系统可利用廉价能源和低品位热能而避免电耗,解决电力供应不足。其热力学循环特性十分相近,均遵循“发生-冷凝-蒸发-吸收”的过程,常用的制冷工质有氨-水、溴化锂水溶液。
 
 
  图四  双级氨吸收制冷系统
 
  热泵技术实质上是一种能质提升技术,以消耗一部分高品位能(电能、机械能或高温热等)为代价,通过热力循环把热能由低温物体转移到高温物体,利用逆向卡诺循环的能量转化系统。
 
  吸收式热泵技术
 
  分为两种类型:1)第一类吸收式热泵(即增热型热泵),通常简称AHP(absorption heat pump),它以蒸汽、燃料(燃气、燃油)、废热水或废蒸汽为驱动热源,把低温热源的热量提高到中、高温,从而提高了能源的品质和利用效率。2)第二类吸收式热泵(即升温型热泵),通常简称AHT(absorption heat transformer),它利用大量中间温度的废热和低温热源的热势差,制取温度高于中间废热的热量,从而提高了废热的品质。
 
  1971年日本荏原制作所才创造出世界上第一台吸收式热泵,吸收式热泵的产生又一次极大的提高了一次能源的利用率,属于一种可再生能源技术。1996年日本荏原制作所与冰轮股份合资兴建了烟台荏原加工基地,因而引进日本近600项专利技术,在国内开始生产销售吸收式热泵产品。
 
  将现存的大量废水、废气通过水处理进行回收利用,但废水温度较高,其中还含有较多热量,所以在相应工艺处理之前,设计采用第二类吸收式热泵先将废水中的余热量进行回收,转化为可利用的低温蒸汽,输送到工艺系统。以提高该项目的能源利用率,达到节能减排的经济效益和社会效益。
 
 
  图五 吸收式热泵系统
 
  压缩式热泵技术
 
  由于运用中介制冷剂循环,在使用上更灵活,此外也不需要气态热源。制冷剂吸收低温热源的低品位热能,在蒸发器中蒸发,然后在压缩机中压缩到较高的温度和压力,随后,高温的制冷剂进入冷凝器冷凝并将热量释放给散热器,冷凝后的制冷剂通过膨胀阀,压力降低,并再次返回蒸发器,至此完成一个循环。当热源与散热器分离且需要将温度提升至较高水平时,闭式循环压缩式热泵将体现它的优势。
 
  化工工艺中的低温余热大多在80℃以下,属于低品位热源,其大部分热量直接通过水冷或者空冷直接排放到大气中,未被充分利用和回收,既造成能源浪费,又污染了环境。以低品质余热为热源,通过热泵机组产生高温位的蒸汽,供重沸器加热使用,停掉原有蒸汽加热。回收空冷、水冷部位等低温余热,减少蒸汽使用量,达到节能能耗。
 
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  图六  压缩式热泵系统
 
  移动供热技术
 
  采用这种水-水换热方式,需要一台供热车在一次网连续不断的向混水罐中释放蒸汽,保持混水罐的温度满足设定温度要求,通过板式换热器与二次网实现水-水换热。由于不断的向混水罐中释放蒸汽,导致混水罐中的水量不断增加,将多余的冷凝水排到储水罐储存,这部分储存的热水可以用作二次网补水和用户生活用水。为了降低运行成本,方便居民生活,本方案考虑了供暖和全年24小时供热水设计, 可以考虑从储水罐到用户增加一条热水专用管路,来满足用户的使用热水的需求。
 
  工业余热可以得到充分利用,既增加了经济效益,又减少了温室气体排放对环境的影响,实现了清洁生产和余热的循环利用,同时实现了小区的清洁能源供暖,保证了供暖质量,达到了节能减排双重目的。因此移动供热技术,是落实国家《余热暖民工程实施方案》的关键技术和重要措施,是利国利民的供热新模式,具有巨大的经济效益和社会效益。
 
  可以全面覆盖工业、农渔业、商业、机关、学校、农村及城镇的供热需求,对区域内居民的生产、生活和区域经济发展产生巨大的经济效益和社会效益,可有利缓解因小煤锅炉淘汰带来的供热困难问题,全面实现清洁能源供热,开创移动供热新模式,树立余热利用新典范。
 
  图七  移动供热技术系统
 
  有机朗肯热分离器技术
 
  冷、热分离器,高压气体被切向注入涡流室,并加速到高转速,由于管道末端的锥形体的阻挡作用,旋流室中只有受压缩的外围部分气体从热流端逸出,剩余气体被迫返回到低压的内旋流室中,然后从冷端排出,是一种将透平膨胀、分离器和压缩机功能集于一体的装置,可在极短时间内实现压力能与动能的相互转换。
 
  以空气为例,用25℃、0.3~0.8MPa的压缩空气可同时在该冷、热分离器的热端产生25~120℃的热空气和冷端产生-25~25℃的冷空气。该设备无任何转动部件,承压大,密封性能好,而且占地面积小、不需外部能源动力等诸多优点。辅以自动控制系统,可应用于低温热的分离和利用。具有原理简单、设备可靠,且应用前景广阔的特点。
 
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  图八  有机朗肯热分离器系统

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关键词: 余热利用   节能技术   环保管家  

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